一种基于绒面结构的NEAGaAs光电阴极及其制备方法

一种基于绒面结构的nea gaas光电阴极及其制备方法
技术领域
1.本发明属于光电阴极技术领域，具体为一种基于绒面结构的neagaas光电阴极及其制备方法。


背景技术：

2.光电阴极是根据外光电效应制成的光电发射材料，在光辐射作用下向真空中发射电子，实现光信号向电信号的转换。gaas是目前研究最为透彻的光电阴极发射材料，而且一般都被制成薄膜。但是高质量gaas薄膜的发射率并不是很高，不能完全吸收入射光的能量。为了提高光电阴极的量子效率，有的在发射层生长纳米线，有的在衬底上下表面制备凹孔，从而达到增强光吸收的效果。
3.在gaas材料表面进行制绒是一种能有效提高材料表面光吸收的方法，最为常见的制绒方法有湿法刻蚀法、模板法。湿法刻蚀法是根据晶体的不同晶相在酸溶液中的腐蚀速率不同对gaas材料表面进行制绒的。因为gaas材料的各个晶面如(001)面和(111)面在制绒液中的腐蚀速率不同，随反应进行，会在gaas材料表面形成四面方锥体；模板法是通过在衬底上利用各向异性的特性腐蚀出倒金字塔模板，然后填充发射层材料，最后腐蚀掉模板。但是，因为之前采用的湿法刻蚀方法是将整个基片放入腐蚀液中来刻蚀表面从而得到绒面结构，所以不能精准地控制腐蚀速率，而且制出的绒质量不是很高。另外，模板法制备出的结构锥体长径比和顶端曲率半径不太理想，且制备工艺复杂。这些制备方法具有工艺复杂、所制结构质量不高、不能控制速度等缺陷。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于绒面结构的neagaas光电阴极及其制备方法。
5.本发明的具体技术方案为：一种基于绒面结构的neagaas光电阴极，包括半导体衬底、gaas发射层以及表面激活层；
6.所述gaas发射层的表面是由金字塔结构形成的绒面结构，金字塔绒面结构的表面覆有一层cs/o激活层。
7.一种制备所述基于绒面结构的neagaas光电阴极的方法，步骤如下：
8.步骤1，清洗半导体衬底si或sic，依次采用丙酮、乙醇、去离子水对衬底进行清洗；
9.步骤2，以ga(ch3)3为镓源，在洁净衬底表面制备ga液滴，制备温度为600℃-700℃，以ash3为砷源，在自催化作用下生长出gaas纳米柱，自催化温度为400℃-600℃；后面将温度保持在400℃，使ga液滴固化从而生长成gaas薄膜；
10.步骤3，配置腐蚀液，将hf、hno3、h2o混合制成腐蚀液；
11.步骤4，采用喷淋腐蚀的方法将腐蚀液喷淋在gaas薄膜表面进行制绒；
12.步骤5，用化学清洗试剂腐蚀去掉gaas薄膜表面残留的腐蚀液以及油脂和杂质；
13.步骤6，使用超高真空激活工艺在gaas绒面结构表面吸附cs/o激活层；
14.优选地，步骤2的具体流程为：ga(ch3)3为镓源，ash3为砷源，以及掺杂元素si源，以
摩尔数比1000:1000:1的比例进行混合作为反应源，反应源位于靠近cvd反应炉进风口且距衬底15cm的位置，半导体si或sic衬底位于cvd反应炉的中心加热位置；加热前先抽真空cvd反应炉并通入氩气清洗炉管；衬底所在位置加热温度在850℃，反应源所在位置的加热温度为600℃，沉积反应时间在100～120min。
15.优选地，hf、hno3、h2o的配置比例为2:1:1。
16.优选地，喷淋装置中的温度为80～90℃，喷淋时间为700～900s。
17.优选地，化学清洗试剂是体积比为2:2:1的硫酸、双氧水、去离子水的混合溶液。
18.按上述方法对gaas材料进行制绒并表面激活，就能够得到绒面结构的nea gaas光电阴极。
19.与现有技术相比，本发明的显著优点在于：
20.(1)本发明制成的绒面结构neagaas光电阴极，能够通过金字塔之间的反射与折射充分吸收入射光的能量。当光以任意角度入射时，都会在表面的绒面结构发生反射和折射，最终被绒面结构吸收，降低表面处的能量损失，从而提高光电阴极的量子效率。
21.(2)本发明提出的绒面结构neagaas光电阴极的制备方法，使用超高真空激活工艺在绒面结构的表面吸附了cs/o激活层，降低表面处的势垒，使体内产生的光电子更容易逸出到真空，提高了光电阴极的量子效率。另外，由于绒面结构增大了比表面积，因此体内激发的光电子可从绒面结构的各表面逸出，增大了逸出电子的数量，进而增大了光电流和光电阴极的量子效率。并且本发明中的制备方法简单、操作性强，降低了生产成本。
22.下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
23.图1是本发明所述基于绒面结构的neagaas光电阴极示意图；
24.图2是喷淋刻蚀法的实验装置；
25.图3是光的反射和折射示意图；
26.图中1是gaas发射层，2是半导体si衬底，3是玻璃毛细管，4是可调聚四氟乙烯喷嘴，5是玻璃容器，6是腐蚀剂，7是带晶片的玻璃支架，8是聚四氟乙烯支架。
具体实施方式
27.结合图1，一种基于绒面结构的nea gaas光电阴极，包括半导体衬底2、设置在半导体si衬底2上的gaas发射层1以及gaas发射层1表面的cs/o激活层；
28.所述gaas发射层1的上表面是由金字塔结构形成的绒面结构，cs/o激活层覆在金字塔绒面结构的表面。
29.所述半导体衬底为si或者sic绝缘体；
30.所述gaas发射层表面的金字塔结构采用湿法刻蚀技术，在gaas发射层表面刻蚀出金字塔绒面结构。
31.金字塔结构的锥体高度在1微米左右，尖端的曲率半径小于100nm。gaas发射层中掺杂si，掺杂浓度为1
×
10
16
cm-3
。
32.本发明还提供一种制备基于绒面结构的neagaas光电阴极的方法，步骤如下：
33.步骤1，清洗半导体衬底si或sic，依次采用丙酮、乙醇、去离子水对衬底进行清洗；
34.步骤2，以ga(ch3)3为镓源，在洁净衬底表面制备ga液滴，制备温度为600℃-700℃，以ash3为砷源，在自催化作用下生长出gaas纳米柱，自催化温度为400℃-600℃；后面将温度保持在400℃，使ga液滴固化从而生长成gaas薄膜；
35.步骤3，配置腐蚀液，将hf、hno3、h2o混合制成腐蚀液；
36.步骤4，采用喷淋腐蚀的方法将腐蚀液喷淋在gaas薄膜表面进行制绒；
37.步骤5，用化学清洗试剂腐蚀去掉gaas薄膜表面残留的腐蚀液以及油脂和杂质；
38.步骤6，使用超高真空激活工艺在gaas绒面结构表面吸附cs/o激活层；
39.在步骤2中，ga(ch3)3为镓源，ash3为砷源，以及掺杂元素si源，以摩尔数比1000:1000:1的比例进行混合作为反应源，反应源位于靠近cvd反应炉进风口且距衬底15cm的位置，半导体si或sic衬底位于cvd反应炉的中心加热位置；加热前先抽真空cvd反应炉并通入氩气清洗炉管；衬底所在位置加热温度在850℃，反应源所在位置的加热温度为600℃，沉积反应时间在100～120min。
40.步骤3中的腐蚀液除了采用hf：hno3：h2o按照1:1:2的比例混合而成的溶液，还可以采用hcl：h2o2：h2o按照40:4:1的比例混合而成的溶液。
41.步骤5中采用的化学清洗试剂是体积比为2:2:1的硫酸、双氧水、去离子水的混合溶液。
42.本发明提出了一种喷淋腐蚀制绒的制备方法，提高了制绒质量并且控制腐蚀速率使腐蚀层的厚度精确地控制在一个很小的范围内。
43.下面通过实施例进行更详细的描述。
44.在si衬底上生长gaas薄膜的方法：
45.先清洗si衬底，然后选取si(111)表面作为衬底，采用丙酮对其超声清洗两次，每次4～6min，之后采用乙醇对其超声清洗两次，每次4～6min，然后用去离子水清洗两次，最后用氮气吹干并送入真空系统。
46.在清洗后的si(111)表面衬底上制备ga液滴，制备温度为630℃，ga束流为2
×
10-7torr，生长时间为30min。在si(111)表面衬底上自催化生长1μm的纳米柱，自催化温度为550℃，ga束流为1.5
×
10-7torr，as束流为2
×
10-6
torr，生长时间为90min，生长形成gaas薄膜。
47.结合图2，gaas绒面结构的制备方法：
48.将生长在si(111)表面衬底上制备的gaas薄膜结构放入喷淋湿法刻蚀实验装置的玻璃晶片上，以hf：hno3：h2o按照1:1:2的比例混合而成的溶液为腐蚀剂，通过控制腐蚀的速度，使腐蚀层的厚度精准的控制在一个比较小的范围内。在湿法刻蚀过程中，将喷淋装置中的温度设置在80～90℃，喷淋时间控制在700～900s，从而得到尺寸在1微米左右、尖端的曲率半径小于100nm的金字塔结构。
49.最后用化学清洗试剂去掉gaas绒面结构表面的残余腐蚀液以及油脂和杂质，化学清洗试剂是由体积比为2:2:1的硫酸、双氧水、去离子水混合而成的。用氮气讲表面吹干之后送入高温真空系统中进行加热净化，加热温度为850℃，使掺杂si的gaas绒面结构达到原子级清洁表面；然后通过超高真空激活工艺在gaas绒面结构表面吸附cs/o激活层，cs，o激活的过程是cs源持续，o源断续，发射层表面达到负电子亲和势，最终制备得到如图1所示的基于绒面结构的nea gaas光电阴极。
50.当光照射在基于绒面结构的nea gaas光电阴极时，发射和折射如图3所示，可以看出，经过反射与折射可降低阴极表面的反射率，增强光电阴极随光的吸收。
51.以上已经描述了本发明的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各个实例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。